《考慮流變和HM耦合效應的高土石壩心牆細觀破壞機理研究》是依託武漢大學，由周偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：考慮流變和HM耦合效應的高土石壩心牆細觀破壞機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周偉
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
目前我國高土石壩的建設正處於一個高峰時期，一批300米級的高心牆堆石壩（如雙江口、兩河口、糯扎渡等）正在建設或即將開工建設。但是事關高土石壩結構安全和正常運行的核心問題- - 防滲心牆的水力劈裂破壞機理、數值模擬方法，至今國內外還沒有成熟的研究成果。現有研究成果表明，僅僅採用基於連續介質小變形理論的巨觀數值模擬方法不足以完全揭示心牆顆粒體材料的水力劈裂破壞機理。本項目依託武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，考慮心牆所處的複雜環境- - 即隨時間變化的附加流變變形和蓄水過程帶來的滲流-應力耦合作用，採用顆粒材料的組構理論和細觀隨機不連續變形方法研究心牆防滲體的細觀應力變形過程和追蹤水力作用下心牆的劈裂過程；同時結合大型室內三軸試驗，驗證細觀數值模擬結果。研究成果可為300米級高堆石壩的設計提供技術儲備，並推動我國高堆石壩的設計和研究工作。
結題摘要
目前我國高土石壩的建設正處於一個高峰時期，一批300米級的高心牆堆石壩（如雙江口、兩河口、糯扎渡等）正在建設或即將開工建設。但是事關高土石壩結構安全和正常運行的核心問題——防滲心牆的水力劈裂破壞機理、數值模擬方法，至今國內外還沒有成熟的研究成果。現有研究成果表明，僅僅採用基於連續介質小變形理論的巨觀數值模擬方法不足以完全揭示心牆顆粒體材料的水力劈裂破壞機理。本項目依託武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，採用二維顆粒流方法建立了簡化的心牆壩上游壩殼堆石體的初次浸水細觀模型，探討了浸水過程中的浮托力、水的潤滑作用以及軟化作用對堆石體沉降變形的影響，計算結果表明：（1）由於堆石體在施工期發生的變形大多為塑性變形，存儲於堆石體中的應變能較少，在浮托力的卸載作用下，堆石體的回彈變形較小，可以忽略不計，但浮托力能明顯降低堆石體的應力水平；（2）水的潤滑作用能夠引起顆粒重排列，進而形成沉降，但是僅在濕摩擦角足夠小的情況下，才能出現較為可觀的沉降量，故實際工程條件下水的潤滑作用並不是堆石體浸水沉降的主要原因；（3）水的軟化作用能夠引起顆粒的破碎，填充空隙，進而形成沉降，且在合理的軟化係數下即表現出可觀的沉降量，因此水的軟化作用是浸水沉降的主要原因。在心牆壩上游壩殼堆石體的初次浸水細觀模型的基礎上，本項目採用顆粒離散元建立了考慮滲流-應力（HM）耦合效應的心牆水力劈裂顆粒流模型，從細觀層面模擬了心牆水力劈裂的發生及擴展過程，並將模型中產生連通上下游的貫穿性裂縫作為判別水力劈裂發生的依據。根據模擬結果得出，水力劈裂發生的主要原因是心牆在高水力梯度作用下形成的水楔效應導致了心牆內裂縫尖端區的張拉破壞，即破壞的主要力學原因是由於心牆中的張拉應力超過了土體的抗拉強度，並且破壞面近似垂直於σ1的作用方向，這表明水楔效應降低了心牆內原有的σ1，當該值小於或接近心牆上游面的外水壓力時心牆將會發生水力劈裂。此外，由於模型在發生水力劈裂破壞的過程中法向粘結破壞的數目隨著時步不斷增加，切向粘結破壞卻始終未發生，進一步證明了水力劈裂的破壞形式屬於法向張拉破壞。本項目的研究成果可為 300 米級高堆石壩的設計提供技術儲備，並推動我國高堆石壩的設計和研究工作。
